摘   要： 在直徑為10 cm的受光面上均勻分布有256個光電探測器，需要將這些探測器所反映的激光能量分布及變化情況的數(shù)據(jù)即時采集并傳送到上位機實時顯示,。以數(shù)據(jù)采集和快速傳輸為目的,，介紹了以W77E58為CPU的256點快速采集系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理，討論了以FT245BM為核心構(gòu)成的USB接口電路進行實時傳送的電路原理及實現(xiàn)過程,，較好地解決了對多個監(jiān)測點實時快速采集和快速傳送問題,。
關(guān)鍵詞： 信號采集； USB,； 光電探測

    一束激光投射到物體表面時,，要獲得物體受光面接收到的激光能量分布及隨時間變化情況，需在對應的位置設置激光探測系統(tǒng),。根據(jù)被測激光束形成的光斑直徑實際情況,，在受光面上等間距分布安裝256只光電探測器，即將具有一定能量的激光脈沖轉(zhuǎn)換為相對應的電壓信號,，該信號能正確反映其能量大小和變化,。為了使系統(tǒng)能實時反映光斑各點的能量大小及變化情況，要求每秒采集25幀數(shù)據(jù),，即每幀的采集時間為40 ms,，每個點的平均采集時間約為150 μs。為了保證弱光信號的采樣精度,，系統(tǒng)可使用程控放大器,，適當增大弱光信號的電壓放大倍數(shù)，即每個采樣點有可能采樣兩次,。當首次采樣值大于門限值則認為信號足夠強,，直接將采樣數(shù)據(jù)傳送給上位機，當小于該門限值時則改變放大倍數(shù),，再采樣一次,，然后將結(jié)果加上特征碼傳送給上位機,。為了保證測試精度，系統(tǒng)使用12位高速A/D芯片進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,，因此向上位機的數(shù)據(jù)傳送以串行通信方式分兩幀進行,。上位機得到數(shù)據(jù)后作相應處理，再實時動態(tài)顯示在監(jiān)視器上,。上位機的數(shù)據(jù)處理和圖像顯示本文不作詳細討論,，只就信號采集和傳送問題作重點介紹。
1 系統(tǒng)多點采集電路構(gòu)成及工作原理
　　圖1為系統(tǒng)構(gòu)成原理電路圖,，只畫出了信號采集部分,，其他配屬電路均未畫出。本例設計安裝256個光電探測器,。

1.1 CPU的選擇
    本系統(tǒng)中CPU選用華邦公司的W77E58,，其指令執(zhí)行速度是51系列單片機的三倍。同樣用12 MHz的晶振,，一個機器周期可降低到0.35 μs,。如果每次采集和傳送需用40條指令實現(xiàn),完成每條指令按兩個機器周期計算，要完成兩次采集傳送2 B數(shù)據(jù),，所用時間完全可以控制在40 μs以內(nèi),。因此，選用W77E58可保證在每點所限時間范圍內(nèi)選擇相應的探測器,、啟動A/D轉(zhuǎn)換,、完成兩次采集數(shù)據(jù)、把測試結(jié)果以串行通信兩幀數(shù)據(jù)的格式傳送給上位機,。
1.2 多點探測器選擇的實現(xiàn)
    多點探測器選擇電路由1片74LS574,、1片CD4515、CD4067(I)和16片CD4067(Ⅱ)構(gòu)成,。74LS574用于鎖存8個控制信號,，它們分別為A、B,、C,、D和A′、B′,、C′,、D′；4515和4067(I)的通道選通控制端并聯(lián),，4515的16個輸出通道中的某一個通道輸出為低電平“0”,，這16個輸出作為16片4067(Ⅱ)的使能端；16片4067(Ⅱ)的通道選擇控制端A′,、B′,、C′,、D′并聯(lián)，其256個輸入通道對應256套光電探測器電壓信號輸出端,。
　　因此,，控制信號A、B,、C,、D決定選哪一片4067(Ⅱ)，而A′,、B′、C′,、D′決定選其對應的16個探測器中的某一個,。4067(I)的16個輸入通道分別對應16片4067(Ⅱ)的16選1的輸出通道。
1.3 程控放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換
    程控放大器選用單電源供電形式,，其增益帶寬大于10 MHz,，因此可設計成同相輸入運算放大器的形式。Rf1取9.1 k?贅,，R2為精密電位器,其值為10 k?贅,，Rf2取100 k?贅，放大倍數(shù)調(diào)整為兩檔：10倍和100倍,。為了防止模擬開關(guān)對放大信號的影響,將其接成反饋電路串入模擬開關(guān),，再接到運算放大器的反相輸入端，這樣模擬開關(guān)的導通電阻就不會對放大倍數(shù)造成影響,。模擬開關(guān)選用CD4053,，該芯片為3個二選一開關(guān)，選其第三個開關(guān),，由W77E58的P3.0控制,。當P3.0為1時，指向低放大倍數(shù)檔,；當P3.0為0時,，則指向高放大倍數(shù)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用AD678,，它是12 bit AD芯片,，不需外部時鐘和外部基準電壓，速度較快,，5.0 μs完成一次轉(zhuǎn)換,。AD678與CPU接口簡單，只相當于CPU的兩個外部存儲單元,。
2 通信電路構(gòu)成及工作原理
    系統(tǒng)要求對256個探測器進行循環(huán)采集,每40 ms掃描一遍,，因此每個探測器占用時間約為156.25 μs,。由于執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與控制等指令需占用一定的時間，故用于通信的時間遠小于156.25 μs,。本系統(tǒng)中使用的是12 bit的AD芯片,，所以每個點需以兩幀數(shù)據(jù)的格式傳送，設每幀10 bit,，則每個點有效數(shù)據(jù)就需占用20 bit,，加上必要的間隔及指令執(zhí)行時間，每個探測器占用的時間遠高于傳送20 bit數(shù)據(jù)所占用的時間,。若按每幀數(shù)據(jù)平均12.5 bit,，每幀允許使用時間50 μs，4 μs 1 bit,，則波特率高達250 kHz以上,，這樣高的速率就單片機的異步串行通信而言是不可能實現(xiàn)的，而USB則可以勝任,，因此本系統(tǒng)選用了由FT245BM芯片構(gòu)成的USB總線接口電路,，其原理如圖2所示。

2.1 USB接口芯片F(xiàn)T245BM
    本系統(tǒng)的USB通信接口芯片使用FTDI(Future Technology Devices Intl.Ltd)公司生產(chǎn)的FT245BM,。FT245BM支持USB協(xié)議與并行I/O協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換,，其主要功能是進行USB和并行I/O口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。芯片一方面可從主機接收USB數(shù)據(jù),，并將其轉(zhuǎn)換為并行I/O口的數(shù)據(jù)流格式發(fā)送給外設,；另一方面外設可通過并行I/O口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB的數(shù)據(jù)格式傳回主機。中間的轉(zhuǎn)換工作全部由芯片自動完成,，開發(fā)者無需考慮固件的設計,。
    FT245BM通過FIFO控制器實現(xiàn)與單片機的接口，借助8根數(shù)據(jù)線D0～D7及讀寫控制線（RD,、WR,、RXF和TXE）完成與單片機的數(shù)據(jù)交互。其內(nèi)部包含兩個FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，一個是128 B的接收緩沖區(qū),，另一個是384 B的發(fā)送緩沖區(qū)。它們均用于USB數(shù)據(jù)與并行I/O口數(shù)據(jù)的交換緩沖區(qū),。
    另外,，F(xiàn)T245BM還包括1個內(nèi)置的3.3 V的穩(wěn)壓器，1個6 MHz的振蕩器,、8倍頻的時鐘倍頻器,、USB鎖相環(huán)和EEPROM接口。FT245BM采用32腳的PQFP封裝,，體積小巧,，易于和外設做到一塊板上,。
2.2 電路工作原理
    該電路將W77E58對256個光電探測器循環(huán)測得的數(shù)據(jù)通過并行接口傳送給FT245BM，相當于將FT245BM當作一個8 bit隨機存儲器對待,，將數(shù)據(jù)寫入FT245BM,，然后執(zhí)行下一個點的數(shù)據(jù)采集處理。只要USB接口波特率可以達到300 kHz以上,，兩點采集處理間隔能在100 μs以上,，系統(tǒng)就能可靠工作。
3 數(shù)據(jù)采樣和傳送程序示例
　　　　　　    mov A,#00H
　　　　　　    mov DPTR,#2000H
　　　　　　    movx @DPTR,A
　　　　　　    mov DPTR,#4000H
　　　　　　    movx @DPTR,A
　　　　　　    mov R1,#08H
　　　　　　    djnz R1,$
　　　　　　    movx A,@DPTR
　　　　　　    mov 20H,A
　　　　　　    inc DPTR
　　　　　　    mov A,@DPTR
　　　　　　    mov 21H,A
　　　　　　    mov A,20H
　　　　　　    cjnz A,#1fH,Loop2
　    Loop2:      jc,Loop3
　　                Ajmp Loop
　    Loop3:       clr P3.0
　　                mov DPTR,#2000H
　　                movx @DPTR,A
　　　　　　    mov DPTR,#4000H
　　　　　　    movx @DPTR,A
　　　　　　    mov R1,#10H
　　　　　　    movx A,@DPTR
　　　　　　    mov 20H,A
　　　　　　    inc DPTR
　　　　　　    movx A,@DPTR
　　　　　　    mov 21H,A
　    Loop:        mov DPTR,#6000H
　　                mov A,20H
　　                movx @DPTR,A
　　                mov A,21H
　　                movx @DPTR,A
　　                setb P3.0
　　                END
    采用USB接口從根本上解決了多點快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)采集量和高速度傳送的矛盾,，系統(tǒng)要求整個采集時間為3 min左右,，在這段時間里，上位機將系統(tǒng)通過USB接口傳送過來的約5 MB的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和修正后即時顯示在計算機監(jiān)視器上,，可方便地觀察幾分鐘內(nèi)激光發(fā)射時間里受光表面得到的能量分布和隨時間變化的過程,。系統(tǒng)把數(shù)據(jù)處理及圖形顯示交給計算機，而把多點采集驅(qū)動交給單片機完成,，由USB接口負責快速信息傳遞，發(fā)揮各自優(yōu)勢完成,。該方案對多點高速采集系統(tǒng)具有普遍的應用意義,，如果設計合理，監(jiān)測點可以達到1 000個以上,。
參考文獻
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